邮电设计技术:蜂窝移动通信系统基站电磁辐射的分析

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邮电设计技术:蜂窝移动通信系统基站电磁辐射的分析

http://www.telepower.com.cn/5/112/2004723104921.htm

朱东照邵晓龙

随着经济发展和人民生活及文化水平的提高，人们对身边的电磁环境越来越关心，移动通信基站电磁辐射问题日益引起人们的关注，有些甚至已经影响到基站的选址和工程建设的进度。下面围绕国家制定的相关电磁辐射标准对该问题进行相应的阐述。

１国家标准

目前国内有２个关于电磁辐射方面的防护标准：国家环境保护局发布的国标《电磁辐射防护规定》（ＧB ８７０２—８８）和卫生部发布的国标《环境电磁波卫生标准》（ＧB ９１７５—８８）。

（１）《电磁辐射防护规定》分职业照射及公众照射２种标准。

公众照射要求在一天２４ｈ内，环境电磁辐射场的场量参数在任意６ｍｉｎ内应满足表１要求。公众照射标准要求高于职业照射标准要求，换句话说，能满足公众照射标准要求就一定能满足职业照射标准要求。

（２）《环境电磁波卫生标准》分一级标准和二级标准。

一级标准为安全区，指在该环境电磁波强度下长期居住、工作和生活的一切人群均不会受到任何有害影响的区域。二级标准为中间区，指在该环境电磁波强度下长期居住、工作和生活的一切人群可能引起潜在性不良反应的区域。

环境电磁波容许辐射强度分级标准见表２。

这里有必要说明，美国１９９２年修订的移动电话、对讲机使用频段标准非职业暴露的限值为０．２～２ｍＷ／ｃｍ２（ｆ／１５００），欧洲一些国家现在大部分都是２００ μＷ／ｃｍ２。即使按照二级标准衡量，我国的电磁辐射标准也只有欧美标准的１／５，而我国香港地区的标准是大陆标准的将近１０倍，所以在这个安全标准以内的广大作业人员及居民群众可以完全放心。

为了进一步保护群众和发展无线通信，我国已由国家质量监督检验检疫总局牵头，联合卫生、环保、广电、电力和信息产业５部委完成了《电磁辐射暴露限值和测量方法》国家强制性标准的最终草案（正在全国征求意见），以取代目前的２个标准。

在此草案中，移动通信工作频率范围内（１７～２５００ＭＨｚ）的电磁辐射功率密度的限值由《电磁辐射防护规定》公众照射标准中的０．４Ｗ／ｍ２调整为１．５Ｗ／ｍ２。

２理论计算分析

《电磁辐射环境影响评价方法和标准》（ＨＪ／Ｔ１０．３－１９９６）第４．１、４．２款规定：公众总的受照剂量包括各种电磁辐射对其影响的总和以及背景电磁辐射；对由国家环保局审批的大型项目可取功率密度限值的１／２作为评价标准。

下文以《电磁辐射防护规定》的公众照射标准为依据，对蜂窝移动通信系统进行分析和计算。

２．１符合《电磁辐射防护规定》公众照射标准的接收功率

根据电磁辐射评价标准，在基站覆盖区内的照射功率密度限值须小于０．４Ｗ／ｍ２×１／２，即２０ μＷ／ｃｍ２。则相应的点源天线的接收功率Ｐｒ计算如下：

Ｐｒ＝（Ｅλ／２π）２Ｇｒ／１２０（１）

式中：

Ｐｒ——接收功率（Ｗ）

λ——波长（ｍ），对于９００ＭＨｚ移动通信频段，λ＝０．３３ｍ

Ｇｒ——接收天线增益（ｄBｉ），对于点源天线增益为０ｄBｉ，即为１

Ｅ——电磁波复合场强（Ｖ／ｍ），已知功率密度Ｓ＝２０ μＷ／ｃｍ２（即Ｓ＝０．２Ｗ／ｍ２处），代入Ｅ２＝３７７Ｓ，得Ｅ＝８．６８Ｖ／ｍ

将上述数值代入式（１）得，Ｐｒ＝１．７３２×１０－３Ｗ＝２．３９ｄBｍ，此即为符合《电磁辐射防护规定》公众照射标准规定的接收功率。

２．２满足接收功率要求的路径损耗

下面计算满足接收功率要求的路径损耗。

（１）接收点的功率

接收点的功率可以表示为：

Ｐｒ＝Ｐｔ＋Ｇｔ＋Ｇｒ－Ｌ－Ｌｓ－Ｌφ－Ｌｉｎ（５）

其中：

Ｐｔ——发射功率

Ｇｔ——发射天线增益，取１５．５ｄBｉ

Ｇｒ——收信天线增益，取０ｄB

Ｌ——空间传播损耗，在市区近距离视距环境下，距离大于２０ｍ时，采用国际电联采纳的Ｗａｌｆｉｓｃｈ－Ｉｋｅｇａｍｉ模型计算，Ｌ＝２３．７＋２６ｌｇｄ；距离小于２０ｍ时，采用自由空间传播模型

Ｌｓ——系统损耗，包括合路器、馈线和接头损耗，取７ｄB

Ｌφ——发射天线来波方向与天线主波瓣有夹角时的波瓣相对损耗，取０ｄB

Ｌｉｎ——建筑物穿透损耗，如在房内时取１５ｄB；无遮挡时取０ｄB

（２）路径损耗

路径损耗要满足式（６）的要求。

Ｌ＝２３．７＋２６ｌｇｄ＞Ｐｔ＋Ｇｔ＋Ｇｒ－Ｐｒ（要求）－Ｌｓ－Ｌφ－Ｌｉｎ（６）

下面取定３种情况分别讨论：

① 天线主瓣正对且无阻挡时，Ｇｔ＋Ｇｒ－Ｐｒ（要求）－Ｌｓ－Ｌφ－Ｌｉｎ＝６．１１，故Ｌ＞Ｐｔ＋６．１１。

② 天线主瓣正对且在室内时，Ｇｔ＋Ｇｒ－Ｐｒ（要求）－Ｌｓ－Ｌφ－Ｌｉｎ＝－８．８９，故Ｌ＞Ｐｔ－８．８９。

③ 一般情况下天线主瓣在近距离上不会正对居民，若取Ｌφ为５ｄB时（垂直方向偏离主瓣１０°左右），按无阻挡情况，Ｇｔ＋Ｇｒ－Ｐｒ（要求）－Ｌｓ－Ｌφ－Ｌｉｎ＝１．１１，故Ｌ＞Ｐｔ＋１．１１。

２．３各种情况下对应的路径长度

以目前２种常见的市区最大配置的基站站型为例，计算上述３种情况下对应的路径长度：

（１）站型１?? ８个ＧＳＭ９００载波和４个ＧＳＭ１８００载波，每载波功率为２５Ｗ，复合功率为３００Ｗ，即５４．８ｄBｍ，对应上述３种情况的距离分别是２７，６，１７ｍ。

（２）站型２：３个ＧＳＭ９００载波，每载波功率为２５Ｗ；４个ＧＳＭ１８００载波，每载波功率为２５Ｗ；２个ＣＤＭA载波，每载波功率为２０Ｗ，复合功率为２１５Ｗ，即５３．３ｄBｍ，对应上述３种情况的距离分别是２４，５，１４ｍ。

以上的理论计算仅仅是一种参考，实际情况要复杂得多，特别是电波传播损耗的计算，应该根据具体环境具体分析。

３实例测试

有关部门曾对浙江省杭州、宁波等地（市）运行中的数十个移动通信基站进行过测试，测试对象包括基站周围有代表性的居民住宅楼、商业楼、机关办公室的窗口、走廊和房顶以及基站周围的道路。所有测试结果全部符合国家的相关标准，绝大多数检测结果均小于５Ｖ／ｍ且有较大余量。

图１是宁波市某住宅区内六楼顶的基站周围环境测试示意图，表３是测试结果。

基站系统配置为北偏东３０°（一扇区）３个载波，其余两个方向与正北相差１２０°（二三扇区），分别配置２个载波，每载波发射功率１６Ｗ，使用增益为１５．５ｄBｉ、主波瓣为６５°的双极化天线。

以上计算不包括环境背景噪声。在基站开通前进行的电磁辐射测试表明，本区域室外环境噪声电平大致在１Ｖ／ｍ左右。考虑到环境背景噪声，结果与实测值相差仅在０．２Ｖ／ｍ之内。

４结论说明

综合理论计算与实际测试，在极端情况（即同一基站运行包括ＧＳＭ和ＣＤＭA系统，所有发射均为满功率，无阻挡，正对天线主瓣指向）下，满足辐射规定的安全距离一般是３０ｍ左右，在室内时这个距离可大大缩短，不超过１０ｍ。在现实环境中，理论上的极端情况几乎是不可能发生的。在移动基站建设过程中，为保证天线信号的覆盖区域，一般要求在天线主瓣方向留有５０ｍ以上净空，所以，这个安全距离可以得到充分保证。

随着移动通信用户不断增长，城市中基站密度越来越大，实际的天线发射功率基本都减小到了标称峰值功率的一半以下。密集市区ＧＳＭ基站的站间距往往只有几百米，架顶功率只有几瓦，天线照射的安全距离大大减小。此外，目前的数字移动通信技术均采用不连续发射和功率控制技术，这进一步减小了辐射强度。

任何无线发射装置都会产生电磁辐射，自然界也充满了背景辐射，最常见的电视、广播等都是通过无线手段来传播的，所以，对电磁辐射一定要有科学的态度，不能盲目排斥。只要不超过公认的安全标准，对人体的健康就没有影响。

５基站建设的探讨

（１）目前我国城市居住环境不断完善，连续成片住宅小区大量涌现，这些区域往往属于高话务区。为了达到合理的基站覆盖电平，有效地吸收话务量，就必须在大型住宅区内建设基站。而一些居民出于自身利益考虑往往对住宅小区的居民楼顶建设基站抱有抵触反对情绪，这就给移动通信基站建设增加了难度，影响施工进度甚至迫使基站改址。

实际上电磁能量本身是作传输用的，为了覆盖通信小区的边缘，天线的电磁波必须向远处发射，而不是朝着本楼底下发射，本楼的环境都处于辐射的死角，附近的区域也由于电磁波的半辐射而比较弱。因此严格说来，本楼居室内的辐射比附近建筑还要来得低，从现场测试结果看也基本如此。

（２）对于网络设计者和建设者来说，首先在基站选址方面应避开易于引发争议的场所，如幼儿园、小学、医院等；天线的具体安装位置要避免主瓣直接指向近距离内有人员经常出现的暴露区域，如居民楼阳台、楼道等。

此外还有意见认为基站建设有损环境美观，尤其对于住宅小区、繁华闹市和风景点。在这方面国外比较注重，也做得较好，如图２中所示天线就很好地利用了建筑物的外形特点，对天线外观进行了巧妙伪装，使其与依附物自然融为一体，甚至还可进一步为周围环境增加亮点。

（３）环保既要保护群众利益也要保护企业，国家标准就是衡量的尺子，如果企业超标了，环保局就该对企业进行处罚，保护群众；如果在标准之下，就应该保护企业的正常发展，因为不发展国家就要落后。

（４）在对基站电磁辐射影响的调查中发现，大部分被调查者缺乏对电磁辐射影响的科学认识，对基站建设所持的态度不十分积极或不赞成。因此运营商除了重视公众的意见和态度，多做沟通外，还应结合国家有关法律法规加强相关知识的宣传和普及，消除公众的心理负担。另外还可以采取一些具体措施，如在人员可能达到的天线附近位置设置安全提示标志，使基站的电磁影响减至最小；结合环境采用伪装天线，在保证一个安全无害的电磁环境同时也为公众创造良好的景观环境和心态环境。

参考文献

１ＧB８７０２—８８．《电磁辐射防护规定》．北京：中国标准出版社，１９８８

２ＧB９１７５—８８．《环境电磁波卫生标准》．北京：中国标准出版社，１９８８

３ A．麦罗拉．蜂窝移动通信工程设计．北京：人民邮电出版社